E.- ESTRUCTURAS DE DRENAJE 5.1.- Introducción.
Por estructuras de drenaje, se entienden todas las obras físicas que se colocan o construyen en una carretera, cuya finalidad es conducir las aguas, permitiendo que corran sin causar daños, o desviarlas para evitar que arremetan contra la vía. "Obras de Arte”. Con este término se conoce, a aquellas estructuras que se proyectan y construyen en función del drenaje o de cualquier mejora de la vía que repercuta en la seguridad de los usuarios y en la durabilidad de la obra. Las estructuras de drenaje pueden clasificarse dentro de los siguientes grupos: • • • • •
Drenaje transversal Drenaje longitudinal. Estructuras de protección de la vía contra la arremetida directa de las aguas. Estructuras de conducción. Estructuras de protección, drenaje y conducción no convencionales.
5.2.- Estructuras de drenaje transversal
Consisten en las obras requeridas para conducir adecuadamente las aguas que cruzan la carretera, o las aguas que la carretera intercepta en una forma aproximadamente perpendicular. En este caso, se consideran los diferentes diferentes cursos de agua, que pueden variar desde pequeñas acequias hasta ríos caudalosos.
frecuencia son las siguientes: • • • • •
Bateas. Alcantarillas de concreto o metálicas. Cajones de concreto o metálicos. Bóveda triarticulada prefabricada. Puentes.
5.2.1.- Criterios de selección en estructuras de drenaje transversal
Si bien no existe un criterio rígido para seleccionar la estructura de drenaje transversal a colocar, en la tabla N° 5.2.1. se presenta una guía a manera de referencia. Es necesario tomar en cuenta como se dijo anteriormente, la disponibilidad presupuestaria, disponibilidad de materiales, materiales, transporte, transporte, riesgos, etc. Tabla N° 5.2.1. Estructura
Tipo de vía
Caudal máximo
Batea
Secundaria
Alcantarilla **
Todo tipo
3 m3/s frecuente 10 m3/s
Cajón de paso Bóveda triarticula-
Todo tipo
y
Arrastre De Sedimentos
poco Sedimentos finos y fácilmente removibles Finos
Sedimento grueso de Hasta 20 m3/s mas de 30 cm de diámetro Sin límite , pero la Sin arrastre de
frecuencia son las siguientes: • • • • •
Bateas. Alcantarillas de concreto o metálicas. Cajones de concreto o metálicos. Bóveda triarticulada prefabricada. Puentes.
5.2.1.- Criterios de selección en estructuras de drenaje transversal
Si bien no existe un criterio rígido para seleccionar la estructura de drenaje transversal a colocar, en la tabla N° 5.2.1. se presenta una guía a manera de referencia. Es necesario tomar en cuenta como se dijo anteriormente, la disponibilidad presupuestaria, disponibilidad de materiales, materiales, transporte, transporte, riesgos, etc. Tabla N° 5.2.1. Estructura
Tipo de vía
Caudal máximo
Batea
Secundaria
Alcantarilla **
Todo tipo
3 m3/s frecuente 10 m3/s
Cajón de paso Bóveda triarticula-
Todo tipo
y
Arrastre De Sedimentos
poco Sedimentos finos y fácilmente removibles Finos
Sedimento grueso de Hasta 20 m3/s mas de 30 cm de diámetro Sin límite , pero la Sin arrastre de
• • •
Es un sistema económico de fácil mantenimiento. Permite el paso y la remoción de sedimentos. Tiene una gran permanencia en el tiempo.
Sin embargo, el uso de bateas presenta algunos inconvenientes: • • •
Durante las crecientes, el nivel de agua sobre la vía puede impedir la circulación de vehículos durante varias horas. Constituye un riesgo para la vida de las personas imprudentes que intenten cruzarla durante las crecidas. Puede depositar grandes cantidades de sedimentos sobre la vía impidiendo la circulación de vehículos.
Cálculo: Se considera la calzada como un canal triangular triangular de poca profundidad y gran anchura y se calcula la altura de la lámina de agua en el punto mas bajo en función de la crecida de diseño. Se aplica la ecuación de Manning y se considera flujo uniforme. El piso de la batea debe ser construido en concreto armado con una resistencia recomendada mayor de 300 Kg/cm2. El recubrimiento del acero debe ser igual o mayor a 7 cm. Esquema N° 5.2.2.1. Croquis general de una batea.
Batea Escalones Cauce natural
Las bateas funcionan adecuadamente cuando se colocan en puntos bajos, sin embargo, en algunas ocasiones se colocan en puntos de la vía, la cual tiene una pendiente continua, tal como se indica en el Esquema Nº 5.2.2.3.. Esta colocación no es recomendada, ya que parte del agua, corre por la calzada de una batea a otra, causando daños en el pavimento. Esquema Nº 5.2.2.3
Las bateas siguen siendo una alternativa de solución para drenajes transversales y a pesar de los problemas que puede generar en el momento del paso de la crecida, hay que tener en cuenta que si se coloca una estructura que pudiera taparse por falta de mantenimiento,
5.2.3.- Alcantarillas
Se denomina alcantarilla a un conducto generalmente de forma circular, que se coloca por debajo de la calzada para permitir el paso de una corriente de agua. Estas estructuras se colocan cuando el caudal esperado es de poca a mediana magnitud y el arrastre de sedimentos no es significativo. Los diámetros de las alcantarillas varían en función del caudal a drenar y la facilidad de limpieza de la estructura. Las alcantarillas han sido ampliamente utilizadas como elementos de drenaje, sin embargo su uso debe estar sujeto a algunas consideraciones, entre ellas se tiene: •
La capacidad desde el punto de vista hidráulico debe ser superior a la creciente de diseño, más un 30% por arrastre de sedimentos.
•
La velocidad del agua en la alcantarilla no debe ser mayor a 6 m/s, ya que de lo contrario se producirá erosión en las paredes, por tanto, la pendiente longitudinal no debe exceder del 4%.
•
En el caso de que el curso de agua arrastre sedimentos que pueden depositarse dentro de la alcantarilla, se recomienda la utilización de diámetros que permitan la entrada de una persona dentro de ella, para poder removerlos. Esto implica la utilización de diámetros de 900 mm en adelante.
Una de las causas del colapso en las vías, se debe al taponamiento de alcantarillas debido a la imposibilidad de limpiarlas y el curso de agua se ve obligado a correr sobre la calzada produciendo grandes daños y en algunos casos fallas de borde.
Esquema N° 5.2.3.1. Funcionamiento hidráulico
Para el estudio del comportamiento hidráulico de las alcantarillas, es necesario determinar si el control está en la entrada o en la salida de la misma. Control en la entrada: La capacidad de la alcantarilla esta regulada por la geometría y la
altura del agua a la entrada.
5.2.3.1. - Alcantarillas de Concreto
Consisten en colectores de concreto armado o sin armar (depende del diámetro), que funcionan como canales circulares y eventualmente como conductos a presión. La utilización de estos colectores, tipo McCracken, según la Norma INOS CL-C-65 (14) presenta las siguientes ventajas: • • • •
Relativamente fácil de conseguir en el mercado. Colocación rápida y no se necesita mano de obra especializada para ello. Son resistentes a la acción del agua y los sedimentos. Vida útil mayor de los 20 años.
Una vez tomada la decisión de utilizar el colector de concreto, es necesario considerar los siguientes aspectos: • • •
Diámetro Clase Apoyo
utilizados en Venezuela. El diámetro mínimo por norma es de 10” Tabla Nº 5.2.3.1. Diámetros comerciales en colectores de concreto “
10 12 15 18 21 24 27 30
mm
“
250 300 380 450 500 600 700 750
33 36 42 48 54 60 66 72
mm
800 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800
Las alcantarillas con diámetros escritos en color rojo, no es conveniente utilizarlas ya que al llenarse de sedimentos no es posible limpiarlas. En la tabla Nº 5.2.3.2. se indica la capacidad aproximada de alcantarillas de concreto de diferentes diámetros para varias pendientes longitudinales, funcionando como canal a sección llena. Se ha considerado un “n” = 0,018 Tabla Nº 5.2.3.2. mm
Pendiente Capacidad a Sección llena % M3/seg
Velocidad m/seg
mm
Pendiente Capacidad a Sección llena % m3/seg
Velocidad m/seg
En las tablas Nº 5.2.3.3. y Nº 5.2.3.4. se indican las características de los colectores para diferentes clases, de acuerdo con la Norma INOS CL- C-65. 5.2.3.1.3.-Apoyo. Se denomina apoyo, la forma como el colector establece el contacto con
el suelo. De acuerdo con la Norma, existen tres tipos de apoyo los cuales se indican a continuación:
En la mayoría de los casos, los colectores se colocan en una zanja, con el apoyo denominado tipo “C”, el cual consiste en una capa de arena con un espesor entre 5 y 10 cm, para garantizar que se apoye en el suelo en toda su longitud y evitar falta de apoyo que eventualmente pudiera fracturarlo. En la tabla Nº 5.2.3.5.. se indica la clase del colector, requerida de acuerdo a la profundidad del relleno, considerando un apoyo tipo “C”.
Tabla Nº 5.2.3.3
5.2.3.1.5.-Estructura de entrada y salida: El colector debe
tener una estructura de entrada consistente en un cabezal, una losa de acceso y aletas protectoras, elementos que deben repetirse a la salida, donde adicionalmente en dicho lugar, se colocará una estructura de disipación de energía, por ejemplo un enrocado, una torrentera, etc. Cabezales: Se denomina cabezal a la estructura de concreto armado colocada al inicio y
al final de la alcantarilla, donde queda embutida la alcantarilla. Su forma es cuadrada o rectangular. Terraplén Cabezal Cabezal
Vista frontal
Perfil
Aletas: Son paredes de concreto de altura variable que contienen el terraplén y conducen
las aguas tanto de entrada como de salida de la alcantarilla, formando con el cabezal un ángulo que puede variar entre los 30° y casi los 90°.
Aleta
Aleta
h1
h2
5.2.3.1.6.- Enrocado de protección a la salida
Al pasar el flujo a través de la alcantarilla y losas de entrada y salida, la velocidad aumenta, por cuanto el valor de “n” disminuye, y la capacidad de erosión aumenta, ya que el flujo ha sido desestabilizado. Por lo antes expuesto, es necesario crear a la salida una estructura de disipación de energía a fin de evitar daños, agua abajo de la misma. Una de las soluciones, consiste en la colocación de un enrocado en el canal de salida, a fin de disminuir la energía. Para determinar el diámetro del enrocado, se puede aplicar la ecuación: V Pc = --------------------(Aguirre y Fuentes, 1995 ) g . Δ . d 50 donde: V = velocidad del agua a la salida. g = aceleración de la gravedad. d 50 = diámetro medio del enrocado de protección asumido. Δ = ( ys – y ) / y = 1,65 Gráfico Nº 5.2.3.1.6.
a.- Los colectores de concreto deberán objetarse si no tienen escrito: • • • • •
Nombre de la fábrica. Diámetro y especificación. Fecha de fabricación. La palabra “arriba “ en toda tubería de diámetro mayor a 33 “ salvo que se especifique que la armadura es circular. Sello de aceptación de la empresa encargada de los servicios sanitarios (Hidroven o similar) en los diámetros mayores a 8”.
b.- Los colectores estarán sujetos a una nueva inspección por parte del personal, ( siempre que la importancia de la obra lo amerite ) si presentan: • • •
Daños típicos generalizados. Más de una grieta en una junta que atraviese todo su espesor. Grietas longitudinales superiores a 0,003” de ancho. Este ancho podrá llegar hasta 0,006” si el tubo tiene la posibilidad de colocarse en forma tal que la grieta quede en la zona de compresión. ( En el colector de armadura elíptica, se debe respetar la posición del tope. Ampollas, desconchados, cangrejeras, roturas y en general defectos que ofrezcan dudas respecto a su influencia sobre la resistencia, durabilidad o servicio del colector.
c.- Los colectores estarán sujetos a rechazo en obra si presentan: • • •
Roturas en las juntas mayores que las ¾ partes de su profundidad y longitud perimetral superior a 4” + 0,1 D”. Grietas que atraviesen la pared del colector cualquiera sea su longitud. Grietas longitudinales de más de 0,008” de ancho, pudiendo elevarse este límite a
diámetros y espesores (calibre), las cuales se arman en el sitio para formar un tubo circular o abovedado. De acuerdo con el fabricante, se producen pequeñas variaciones en cuanto a la forma de armar las láminas, calidad del galvanizado, tamaños, etc. Las alcantarillas metálicas, son mas fáciles y rápidas de colocar que las de concreto y por tanto más económicas, sin embargo, la durabilidad es menor, debido a que son atacadas por el agua, que de acuerdo con su composición química, puede oxidarlas y destruirlas en un breve tiempo. El espesor de la pared de la alcantarilla metálica se expresa como calibre. En la tabla 5.2.3.2.1. se indica para algunos casos la relación entre calibre y mm. Calibre 12 7
Milímetros 2,778 4,763
Tabla 5.2.3.2.1.
Calibre 10 5
Milímetros 3,572 5,556
Calibre 8 3
Milímetros 4,366 6,35
De acuerdo con la forma de la alcantarilla y la manera de colocar los pernos de unión, las alcantarillas pueden catalogarse en: • •
Tubos anidables. Planchas seccionales (Multiplate).
5.2.3.2.1.- Tubos anidables
Estas estructuras tienen diferentes formas, pero las más utilizadas son la circular y la abovedada tal como se indica en el gráfico N° 5.2.3.2.1.:
corrosión es proporcionada por un proceso de inmersión en caliente de acuerdo a la especificación AASHO M -36. La sección transversal del tubo se logra ensamblando dos láminas solamente, tal como se indica en el gráfico Nº 5.2.5.1. La longitud de la estructura es ilimitada. Tubos anidables circulares: Son ideales para ser colocados en lugares donde no existe
limitación de altura de relleno sobre la alcantarilla. En la tabla N° 5.2.3.2.2. se presenta la altura máxima de relleno para estos tubos. Tabla Nº 5.2.3.2.2. Altura máxima de relleno para tubos anidables circulares en m. Diámetro Calibre 16 Calibre 14 Calibre 12 Calibre 10 Calibre 8 en pulgadas 12 75,6 15 60,7 75,6 18 50,6 63,1 21 43,3 54,3 24 37,8 47,2 66,4 30 30,2 37,8 53,0 68,0 36 25,3 31,4 44,2 56,7 42 21,6 26,8 37,8 48,8 59,4 48 18,9 23,5 33,2 42,7 52,1 54 20,1 28,3 36,6 44,8 60 24,1 31,1 38,1 66 26,5 32,6
1N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8N 9N 10N
En pulgadas 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72
En pulgadas 13,00 16,00 19,50 22,50 26,00 29,50 33,00 36,50 40,00 44,00
Tabla 5.2.3.2.4. Altura límite de relleno en metros Presión máxima en las esquinas = 1,95 kg/cm2 TIPO 1N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8N
CALIBRE 16 4,87 3,96 3,65 3,65 3,05
CALIBRE 14 4,87 3,96 3,65 3,65 3,05
CALIBRE 12
3,05 3,05 3,05
CALIBRE 10
3,05 3,05 3,05
CALIBRE 8
3,05 3,05 3,05
Cada ancho de plancha se fabrica en las siguientes longitudes: 6´, 10´ y 12 ´. Las planchas se punzonan para 4 pernos por pie de junta longitudinal. Los tubos circulares de planchas para alcantarillas, se suministran en diámetros normales desde 1,52 m (60“) hasta 6,40 m (252”) con intervalos de 15,24 cm. Preparación del sitio: El material del sitio, no debe ser agresivo desde el punto de vista químico, por tanto, se deben evitar arcillas u otros materiales con poder corrosivo, así como cercanía a ambientes salinos. La base de la zanja debe ser compactada y cubierta con granzón y arena. Se debe apuntalar internamente la alcantarilla con cercos de madera, a fin de que durante la compactación del relleno lateral y superior, no sufra deformaciones. Las secciones se empernan para formar una bóveda, un tubo de sección circular o un tubo abovedado. El alargamiento vertical del 5 % aumenta la capacidad de carga de la estructura con relación a la sección circular. Para el relleno de la zanja, se deberá utilizar un material granular bien drenado, colocándose en capas regulares y compactándolo manteniendo el siguiente cuidado: Usar pisones manuales para compactar en los costados de la estructura y compactadores vibratorios hasta una distancia de 30 cms del tubo. Se recomienda lograr una densidad de 90 a 95%. En los Esquemas 5.2.3.2.1. y 5.2.3.2.2. se indica la forma de ensamblar las alcantarillas En la tabla Nº 5.2.3.2.5. se muestran las alturas de terraplén permitidas para tubería encajable de acero. Tabla Nº 5.2.3.2.5.
DE PLANCHAS SECCIONALES
Tabla Nº 5.2.3.2.6.
5.2.3.3.- Rehabilitación de alcantarillas metálicas
Las alcantarillas metálicas, con el paso del tiempo se van deteriorando y pudriendo, esto ocurre debido a la acción agresiva de las aguas, las cuales la mayoría de los casos son una mezcla de descargas cloacales (aguas residuales) y escorrentía superficial cuando llueve. (Fot. Nº 5.2.3.2.1.) Al deteriorarse la alcantarilla se produce el hundimiento de la vía y la interrupción del tránsito.
Fot. Nº 5.2.3.2.1.Alcantarilla metálica colapsada
•
Una vez realizados los pasos anteriores, se inicia el proceso de revestimiento. Mediante una maquina especial se aplica una mezcla de mortero de alta resistencia a las paredes del tubo de forma centrifugal, en capas con un grosor no superior a los 18 mm por capa. A mayor número de capas, mayor resistencia.
•
Mediante la utilización de toberas se rellena con concreto los espacios vacíos existentes entre el terreno natural y las láminas.
En los Gráficos rehabilitación.
Nº 5.2.3.3.1
y 5.2.3.3.2. se indican los pasos a seguir en una
Es importante señalar que en Venezuela, esta técnica ha logrado muy buenos resultados, recuperándose alcantarillas totalmente colapsadas, sin tener que interrumpir el tráfico. También es necesario resaltar que a algunos gobernantes no les agrada realizar este tipo de trabajo, porque mucha gente no se entera. Gráfico Nº 5.2.3.3.1
Gráfico Nº 5.2.3.3.2.
5.2.3.4.- Alcantarillas de polietileno.
Están conformadas ( 17) por colectores de polietileno, ( Fot. N° 5.2.3.4.1.) y presentan las siguientes ventajas en relación con los colectores de concreto o metálicos: • • • • • • • •
Resistentes a la corrosión Material no-toxico Larga vida útil del colector. Livianos. Flexibles. Resistentes a impactos. Se pueden soldar. Resistentes a la abrasión.
Los colectores de polietileno se fabrican en los diámetros indicados en la tabla N° 5.2.3.4. y con los espesores de pared. La longitud varía desde 3 hasta 50 pies. Diámetro Interno en Pulgadas 15 18 19,5 21 24 27 30
Diámetro Externo máximo 16,9 20,2 21,7 23,7 27,1 30,4 33,8
Tabla N° 5.2.3.4 Diámetro Externo mínimo 16,5 19,9 21,7 22,9 26,2 30,0 32,7
Diámetro Interno en pulgadas 48 54 60 66 72 78 84
Diámetro Externo Máximo 53,8 60,5 67,2 73,9 80,6 87,4 94,1
Diámetro Externo mínimo 51,8 58,7 65,2 70,7 77,8 84,5 90,5
a.- Los colectores de diámetros entre 15” y 36” pueden unirse por el sistema de espiga campana. , (Fot. Nº 5.2.3.4.2.) b.- Los colectores de diámetros entre 30” y 120” pueden unirse por el sistema de soldadura la cual puede ejecutarse por dentro del colector o por fuera o por ambos lados. La soldadura se realiza con aplicación de calor. (Fot. Nº 5.2.3.4.3.)
Fot. N° 5.2.3.4.2. Sistema espiga-campana
Fot. N° 5.2.3.4.3. Soldadura por calor
b.- Los colectores de diámetros entre 15” y 120” pueden unirse por el sistema de aros flexibles. Primero se coloca una banda elastomérica fabricada con Ethileno propileno DiMethil o con caucho y por encima de ella se coloca una banda metálica para ajustar y apretar la unión. La banda tiene un ancho que varía entre 12 y 16”. (Fot. Nº 5.2.3.4.4.)
Cuando se utilizan los colectores de polietileno, el material a utilizar para el relleno de la zanja no debe contener piedras. Se debe colocar una capa de entre 10 y 15 cm. de arena por debajo del colector a manera de cama. No se debe compactar el material colocado por encima del colector, hasta que el relleno seleccionado, tenga una capa mínima de 40 cm. La compactación del material en la zanja se realizará en capas de 20 cm. A partir de los 40 cm se podrá utilizar el material excavado de la zanja, siempre y cuando no contenga piedras y permita una buena compactación. Profundidad del colector
La profundidad del colector puede variar entre 30 cm. como mínimo hasta 10 m. Sin embargo se recomienda consultar con el fabricante, cuando el diámetro es mayor de 48”. 5.2.3.5.- Consideraciones generales para la colocación de alcantarillas metálicas o de polietileno. Preparación del terreno. El fondo de la zanja debe estar conformado, de forma que este
liso y libre de piedras u otros objetos cortantes. En caso se ser relleno, el terreno deberá compactarse adecuadamente. Deberá estar seco y libre de raices que pudieran producir desplazamientos futuros. Siempre se deberá colocar una capa de arena o piedra picada entre el fondo de la zanja y la alcantarilla a fin de asegurar un buen apoyo en toda la longitud. La alcantarilla se instalará de acuerdo a lo enunciado anteriormente y preferiblemente la construcción se ejecutará desde la parte de aguas abajo hacia aguas arriba.
de concreto armado o metálica y tiene la característica de permitir con mayor facilidad que las alcantarillas, el paso de los sedimentos, se dimentos, así como la limpieza y remoción de los mismos. (Ver Fot. Nº 5.2.4.1.) En algunos casos de drenaje vial, cuando se va a sustituir una antigua estructura de drenaje, como por ejemplo una batea o una alcantarilla colapsada, es necesario considerar la rasante de la vía, cuya modificación pudiera implicar costos muy elevados. En estas circunstancias el cajón presenta grandes ventajas ya que se puede modificar la altura y el ancho, para lograr un conducto con el área transversal requerida para drenar el caudal de diseño. Los cajones de paso de acuerdo con el caudal de diseño, pueden ser de una o de varias celdas y de diferentes alturas y anchos, de acuerdo con la disponibilidad de espacio en el sitio, tal como se indica en el esquema:
Cajón de una celda
Cajón de dos celdas
El cálculo de la capacidad de un cajón de paso, se realiza considerándolo como un canal abierto y puede aplicarse la ecuación de Manning, estimando que deberá pasar a través de él un caudal igual al de la creciente de diseño, mas un volumen adicional de un 30 % que será ocupado por los sedimentos en tránsito. Se deberá dejar una luz libre entre el nivel máximo de las aguas y la parte superior interna interna del cajón, del orden de 20 a 30 cms, es
Fot. N° 5.2.4.1.Cajón de paso de dos celdas sobre El Chorrerón. Vía Jají
5.2.4.1.- Cajones de paso de concreto armado.
Los cajones de paso construidos en concreto armado son los más comunes en nuestro medio, debido a nuestra familiaridad con estos materiales y al costo. En el siguiente esquema se muestra muestra la la sección de un cajón de concreto armado: armado: t
b
b
B
H
t
Esquema N° 5.2.4.1.
Vista frontal de un cajón
5.2.4.2.- Cajones de paso metálicos.
Los cajones metálicos constituyen una variación de los de concreto armado y tienen la ventaja de ser más rápidos y fáciles de construir, ya que no se necesita personal ni equipo especializado. En general consisten en láminas de aluminio corrugadas que se unen mediante pernos. Para colocar este tipo de estructuras se debe tener en consideración los efectos que tanto la corrosión como la abrasión pueden tener sobre el metal. El peso de este tipo de estructura es aproximadamente 1/50 veces el de un cajón de concreto armado equivalente. Esto permite colocarlos con la ayuda de una pequeña grúa y en pocas horas. Cuando el curso de agua, arrastra muchos sedimentos y a gran velocidad no es conveniente utilizar este tipo de estructura. En las fotografías Nº 5.2.4.2. a 5.2.4.4. se muestran diferentes vistas un cajón metálico
Fot. N ° 5.2.4.3. Estructura central de un cajón metálico
convencionales, producidas por la empresa “Prefabricados Tierra Armada, S.A. “ que pueden ser utilizadas a manera de puentes en sitios planos, donde se produce la inundación con velocidad del agua muy baja, pero con caudales considerables. Por ejemplo, inundaciones en los llanos venezolanos, en el que el agua ocupa grandes extensiones de terreno y la carretera actúa como un dique de contención siendo necesario drenar las aguas hacia los ríos existentes lo cuales pueden estar al otro lado de la vía. El método de diseño de este tipo de estructuras, busca la forma óptima del arco que cumpla con los requerimientos del proyecto en la forma más económica posible. La optimización de la bóveda implica por una parte minimizar la estructura usando una curva funicular en la cual los momentos flectores en cada punto son nulos y considerar únicamente fuerza de compresión en el arco, la cual viene determinada por la flecha y la luz total. La bóveda triarticulada prefabricada, (Ver Fot N° 5.2.5.) presenta las siguientes ventajas: • • • • • •
Funciona como un arco. Por ser prefabricada, la elaboración tiene un buen control de calidad. Se adapta a diferentes luces, arcos y alturas. Se monta en campo rápidamente y es económica. Se le puede adaptar, en caso de requerirse, tanto un cabezal de entrada y salida como aletas. Se puede fundar sobre una losa corrida o sobre dos zapatas independientes, según sea la capacidad de carga del terreno.
5.2.6.-Puentes
Cuando los caudales de diseño sobrepasan los 20 m3/s y durante las crecientes se generan altas velocidades con arrastre de sedimentos, es conveniente colocar un puente. Antes de tomar la decisión de colocar un puente, en necesario realizar un estudio hidrológico - hidráulico del curso de agua el cual debe contener los siguientes elementos: • • • • •
Memoria descriptiva del estudio hidrológico – hidráulico y los cálculos correspondientes. Plano de la cuenca a escala entre 1:10.000 y 1:100.000 de acuerdo al caso estudiado. Planos de planta del sitio de puente en escala indicada. ( 1 : 1000 o 1 : 500) Perfil longitudinal del tramo del río en estudio. Secciones transversales separadas entre 50 a 100 m ( dos aguas arriba, dos aguas abajo y uno en el sitio de puente, como mínimo ).
Estudio Hidrológico: Debe contener: • • • • • •
Consideraciones generales para el cálculo del gasto de diseño. Área de la cuenca hasta el sitio de puente. Tiempo de concentración. Coeficiente de escorrentía. Análisis de frecuencias para la obtención de lluvias efectivas. Estimación del gasto del proyecto.
Estudio Hidráulico: Debe contener:
5.2.6.1.- Elementos de un puente
Terraplén de acceso
luz Tablero Vigas
apoyo
Tirante de aire
Espaldón apoyo
Nivel de aguas máximas Estribo
Zapata
Estribo
Zapata
El apoyo de la viga sobre el estribo puede ser fijo en un lado (apoyado sobre una lámina de neoprene) y móvil (rodillos) en el otro. O puede ser con neoprene en ambos lados, todo depende del tipo de viga a utilizar. El nivel de fundación de las zapatas debe estar por debajo de la socavación (general del cauce más local por el estribo). El tirante de aire es el espacio libre comprendido entre el nivel de aguas máximas y la parte
del caudal de cada uno de ellos, el cauce puede desplazarse. Las riveras donde se colocarán los estribos, deben estar conformadas preferiblemente por material rocoso o al menos duro de manera que sea difícil la socavación de dichas riveras. La presencia de meandros y cauces abandonados (madre viejas) obliga a realizar un estudio muy cuidadoso sobre la estabilidad del cauce, ya que se corre el riesgo de que el río abandone el puente. 5.2.6.3.- Curva de remanso
Al reducirse la sección del río no se alteran las líneas de flujo cerca del centro del canal, pero si en las extremos. Al dejar la obstrucción, el flujo gradualmente se expande con unos 5 o 6 grados por cada lado hasta que las condiciones del canal bajo la creciente se normalizan. Ver Esquema N° 5.2.6.1. La restricción del flujo causa pérdida de energía, sobre todo a la salida, cuando ocurre la reexpansión. Esto se refleja en una subida de nivel del agua y en la línea de energía aguas arriba del puente, tal como se indica en el gráfico N° 5.2.6.2. Esquema N° 5.2.6.1.
• • •
Socavación de pilas y/o estribos Colapso por socavación aguas abajo del puente debido a la pavimentación del cauce bajo el mismo. Ataque al terraplén de acceso debido a que el río tiene cauces secundarios o primario que no coincide con la alineación del puente
Socavación de pilas y estribos
Esta situación se presenta en puentes viejos, con estribos o pilas fundadas directamente sobre el cauce, el cual a lo largo del tiempo desciende disminuyendo la profundidad real de dichas fundaciones. ( Ver Fot. N° 5.2.6.4.1 a 5.2.6.4.3.) La mejor manera de prevenir que el puente falle es la realización de una revisión anual de las bases, preferiblemente antes de la entrada de las lluvias. En el caso de existir socavación, será necesario actuar con rapidez y recalzar las fundaciones mediante la inyección de concreto o la construcción de muros frente a las zonas afectadas. Fundación del Estribo
´ Fot. N° 5.2.6.4.3. Puente colapsado por socavación de pila central
Esquema de solución
Colapso por socavación aguas abajo del puente debido a la pavimentación del cauce bajo el mismo.
En algunos puentes, con la idea de proteger de la socavación los estribos de los puentes, se ha construido una losa de concreto que cubre totalmente el cauce del río bajo la estructura. Esta pavimentación, aísla a las fundaciones del efecto de socavación pero acelera el flujo, al disminuir la fricción (disminuye el factor de n de Manning), por tanto cuando el flujo regresa al cauce natural lo hace a mayor velocidad y rompe las condiciones de equilibrio aumentando la socavación, la cual crea un escalón que compromete la estabilidad de la estructura, tal como se indica en le Esquema Nº 5.2.6.3. Esquema N° 5.2.6.3 Puente
Puente
Estribo
Estribo
Cauce natural
cauce pavimentado Socavación
la fundación de los estribos.
Estribo
Enrocado
Rampa
Empedrado Avance de la socavación.
Dentellón Ataque al terraplén de acceso debido a que el río tiene cauces secundarios o primario que no coinciden con la alineación del puente
Esta situación es muy frecuente en Venezuela, en los puentes ubicados en el pie de monte andino ( T-001 y T-005 ). Los ríos cambian ligeramente su curso como producto de sedimentos depositados aguas arriba del puente y se produce un cambio brusco en la pendiente longitudinal, desviando el curso de agua y socavando el terraplén de acceso, tal como se indica en el Esquema Nº 5.2.6.4.
Fot. Nº 5.2.6.4.5. Puente Guachizón. T-001. Terraplén derecho de acceso socavado por agua. Se observa el puente a unos 20 m. de distancia.
caudal fluya a través de esa estructura y no cause daños al terraplén de acceso. Puente
muro a reparar
Espigones
60° Río
Esquema N° 5.2.6.5. Puente
5.3.1.- Cunetas: Son canales triangulares de concreto ( sin armar ), que drenan la
escorrentía producida por el agua de lluvia en la calzada. 2%
2%
Ubicación: En general las cunetas se colocan a ambos lados de la vía, cuando esta tiene bombeo hacia ambos lados. Cuando el peralte obliga a la calzada a tener bombeo hacia un solo lado la cuneta se colocará solamente en ese lado, salvo que se requiera por continuidad del caudal. 2%
En carreteras secundarias de montaña, es preferible darle a la calzada bombeo hacia un solo lado y colocar una cuneta. De acuerdo con el Manual de Drenaje del Ministerio de Obras Públicas ( 2 ), se tienen los siguientes tipos de cunetas:
S = pendiente longitudinal de la vía. Y = Altura de agua en la cuneta. K = factor dependiendo del tipo de cuneta.
Fot. Nº 5.3.1.Cuneta típica
B C D
0,484 0,242 0,239
Fot. Nº 5.3.2.Cuneta y descarga a rejilla
5.3.1.1.- Estimación del caudal
El caudal drenado por la cuneta se estima de acuerdo con el método racional:
•
• • •
Por el método racional se calcula el caudal generado, utilizando una precipitación de diseño con un período de retorno de 10 a 20 años y una duración de la lluvia de 15 minutos. Se selecciona un tipo de cuneta y de acuerdo con la pendiente de la vía se calcula la capacidad a sección llena en el punto mas bajo ( en la descarga). La capacidad a sección llena de la cuneta debe ser mayor al caudal calculado por el método racional. En caso de que la capacidad de la cuneta sea menor al caudal calculado se puede cambiar el tipo (mayor capacidad) o descargar a una distancia menor a fin de disminuir el área tributaria.
5.3.1.2.- Descarga
La descarga del agua de la cuneta, se debe hacer sobre un drenaje natural o punto bajo, de manera que el agua fluya hacia una quebrada o río. En algunas oportunidades, cuando se tiene un tramo muy largo y la cuneta alcanza su capacidad a sección llena, se hace necesario bien sea descargar sobre un canal, ampliar dicha cuneta o buscar un curso natural a través de una alcantarilla. En algunos casos existe una distancia apreciable entre la descarga de la alcantarilla y el curso natural, por lo que se genera una zona pantanosa en dicho tramo, que debe ser drenada cuando se desea desarrollar el mismo. La cuneta se descarga al curso natural o a la entrada de una alcantarilla, mediante una torrentera o un canal de gran pendiente. Generalmente se construye una tanquilla abierta para mejorar dicha descarga. 5.3.2.- Cunetas de coronamiento
Se colocan en la parte alta del talud, para evitar que el agua lo destruya, causando daños a
Cuando existe un caudal mayor al que puede ser transportado por la cuneta y no es posible descargarlo transversalmente, se hace necesario construir un canal paralelo la vía, hasta un punto donde pueda ser descargado. En estos casos se recomienda la utilización de canales rectangulares de concreto. La sección del canal, se calculará con el caudal máximo y considerando flujo uniforme (ecuación de manning). En algunos casos, cuando la pendiente es fuerte, se diseñarán escalones (torrenteras) a fin de disminuir la velocidad del flujo.
Vía Río Cuando la posibilidad de destrucción de la vía por parte del agua, es alta, se hace necesario colocar una protección en el terraplén, a fin de protegerlo. Las protecciones mas utilizadas son las siguientes: Bloques Dolosse. Bolsacreto. Gaviones. Muros de concreto armado. Muros de concreto ciclópeo. Espigones impermeables. Espigones permeables construidos con pilotes consistentes en tubos de acero hincados en trebolillo y unidos mediante una malla metálica. Siembra de vegetación en taludes. 5.4.1.-Bloques Dolosse
Los bloques Dolosse o Dolos, fueron utilizados por primera vez hace unos 40 años, como elementos para conformar rompeolas. Ofrecen la ventaja de necesitar entre un quinto y un sexto del peso de una roca, para resistir el impacto de olas de la misma altura. Las
Los bloques son elementos prefabricados de concreto armado Rcc28 = 210 Kg/cm2, reforzado con acero Fy = 4200 Kg/cm2. En Venezuela la empresa Heicoven los fabrica en dos tamaños con los siguientes pesos y dimensiones: Grande. Peso = 2000 Kg. Pequeño. Peso = 750 Kg.
h: 2,30 m h: 1,30 m
b = 1,70 m b = 1,15 m
Los bloques pueden ser utilizados en: • • •
Enrocados artificiales para protección de pilas y estribos de puentes. Construcción de espigones permeables no rígidos. Protección de riberas de ríos.
La forma de los Dolos, con sus tres brazos perpendiculares entre si, permite la traba entre los elementos, haciendo que su efecto sea el de una roca con 5 o 6 veces su peso. Si los bloques se destraban, solamente el peso propio sumergido y la fricción actuarán contra la fuerza del agua, por ello cuando las velocidades del flujo son altas (mayores de 6 m/s) es conveniente amarrar los Dolos con una guaya de acero, utilizando como pasador el gancho de sujeción. Cuando la velocidad del flujo puede alcanzar los 8 m/s, no se recomienda la utilización de los dolos. La ecuación de Hudson's, se utiliza para describir el comportamiento de un bloque de material actuando como defensa contra el agua: 3
Wr H W = -------------------------3
Ko Δ cot α Donde: W = peso del bloque en ton. wr = peso específico del bloque en ton/m3 H = Altura de la ola de agua Ko = Coeficiente de estabilidad α = ángulo horizontal Δ = densidad relativa del material
5.4.1.2.- Colocación
Los bloques pueden ser colocados directamente sobre el cauce, tal como se indica en las fot. Nº 5.4.1.2. o sobre una cajuela abierta previamente, ya que la socavación a medida que ocurra los irá hundiendo, sin embargo, este fenómeno tiende inmediatamente a disminuir
5.4.2.- Bolsacreto
Consiste en sacos de material plástico, (polipropileno laminado densidad 4 x 4 y Denier 820) rellenos de mortero de cemento. Los sacos tienen diferentes tamaños para lograr unidades de diferente peso. La función del bolsacreto es la de un enrocado, aunque su resistencia al impacto es menor que dichas estructuras. Dimensiones de los sacos
Bolsacreto de 1 tonelada Bolsacreto de 2 toneladas Bolsacreto de 4 toneladas Bolsacreto de 5 toneladas Bolsacreto de 6 toneladas Bolsacreto de 7 toneladas Bolsacreto de 8 toneladas
1,00 x 1,00 x 0,50 2,00 x 1,00 x 0,50 3,30 x 1,10 x 0,50 3,30 x 1,40 x 0,50 3,30 x 1,70 x 0,50 3,30 x 2,00 x 0,50 3,30 x 2,20 x 0,50
= 0,50 m3 = 1,00 m3 = 1,82 m3 = 2,31 m3 = 2,81 m3 = 3,30 m3 = 3,63 m3
Los sacos tienen una boca (para 1 hasta 6 Ton. ) o dos bocas ( para 7 y 8 Ton.) por donde se le inyecta el cemento bombeado desde un lugar cercano. Al llenarse se cierran las bocas y se espera que el cemento fragüe. Para poder colocar los sacos, es necesario previamente acondicionar el terreno de manera de asegurar un soporte adecuado a los mismos. Los sacos se colocan a lo largo y a lo alto (unos encima de otros), buscando que queden trabados y así lograr un mejor funcionamiento. En el Esquema Nº 5.4.2. se presentan algunas formas de colocación.
Fot. Nº 5.4.2.1. Carretera Mérida Panamericana. Colocación de bolsacreto Con respecto a los rayos ultravioleta y gamma, los fabricantes de la fibra mencionan una perdida del 20 % después de 15 años de exposición continua al sol. La experiencia indica que en muy pocos meses, la fibra es destruida por la acción del agua y el concreto queda expuesto directamente a la acción de la corriente. Debido a la impermeabilidad de la tela, la mezcla fresca en ningún momento entra en contacto con el medio externo. En el Esquema Nº 5.4.2.se indica la manera de colocación
5.4.3. Gaviones
Los gaviones son elementos paralelepípedos modulares, consistentes en una cesta de malla hexagonal, de alambre que tiene diferentes especificaciones, la cual se llena de piedras, preferiblemente angulares. Uso: Los gaviones se utilizan como muros que funcionan por el peso propio y en forma monolítica. La malla asegura que las piedras permanezcan en su lugar manteniendo la solidez de la estructura. Con el tiempo los espacios vacíos entre las piedras pueden llenarse de sedimentos o por raíces, dependiendo del lugar donde estén colocados. Los gaviones son fáciles de construir y económicos ya que no requieren de mano de obra especializada para su armado y relleno y su ejecución es muy rápida. Su aplicación cubre infinidad de campos tales como: Protección de riveras de ríos contra la socavación, construcción de pequeñas obras de control de inundaciones tales como espigones, diques, obras de toma, etc. Canalizaciones de cursos de agua, Protecciones hidráulicas en puentes, cajones y alcantarillas, Muros de contención de diversa índole. Las cestas tienen en su mayoría las dimensiones indicadas a continuación:
Tirante
0,50 - 1,00 m terreno
colocar la piedra de manera manual que se logre un mínimo de espacios vacíos y de esta forma el mayor peso posible En algunos casos, con la finalidad de aumentar la resistencia del gavión, se coloca a lo largo una capa de mortero de unos 4 cms de espesor. Esta capa se coloca cada 25 cms. Se recomienda atirantar la cesta a medida que se va llenando de piedras, por tanto es conveniente unir con alambre las paredes opuestas cada 25 cms y cada metro de longitud. Cierre: Una vez terminado el relleno, se coloca la “tapa” de las cestas a fin de confinar las
piedras dentro de las seis caras del paralelepípedo.
Colocación: Los gaviones se colocan de manera escalonada unos encima de otros y
trabados a manera de pared de bloques, tal como se indica en el esquema. La cesta superior debe unirse con alambre a la cesta inferior, a fin de mejorar el contacto y asegurar la monoliticidad de la estructura. Vista frontal
Corte
terreno
Existen tres tipos de muros clásicos: Muro tipo el cual se utiliza cuando la posición de la zapata no tiene ninguna restricción. Este tipo de muro es el más económico. Muro tipo , con toda la zapata bajo el relleno. Los coeficientes de seguridad de vuelco y deslizamiento son muy altos, pero las elevadas tensiones que transmite al terreno, limita sus dimensiones. Muro tipo con la zapata al otro lado del relleno. Este tipo de muro no es recomendable por cuanto los coeficientes de seguridad al vuelco y al deslizamiento dependen del peso del muro, lo que aumenta considerablemente su costo. No se recomiendan muros de este tipo con alturas mayores a los 5,00 m. A continuación se presenta como ejemplo un muro de 5,00 m de altura en
:
.30
4,40
Ø
3/8 a 20
4,40 Ø
1/2” a 20 Ø Ø
Ø
5/8” a 20 7/8” a 20 3/4” a 10
Ø
7/8” a 10
.60 .30
3.30
1/2” a 10 Repart. Ø 3/8” a 20 Ø
Drenaje
El drenaje de los muros es de vital importancia y su ausencia puede ser la causa de la falla en este tipo de estructuras. Se debe colocar un filtro de piedra picada envuelto en
Kg/cm2. Los muros de concreto ciclópeo son económicos, cuando cerca del sitio donde se quieren construir o en el propio sitio se consigue la piedra adecuada y la altura total no supera los cuatro metros (incluyendo la profundidad de fundación., la cual debe ser mayor que la socavación). El ancho de la base, debe estar en el orden del 60% de la altura total.
h
0,60 h
5.4.6. Espigones
Son estructuras que se introducen en el cauce a manera de obstáculos, a partir del terreno estable de la orilla, formando un ángulo con la corriente.
Los espigones se construyen fácilmente y casi nunca requieren de mantenimiento. En caso de fallar uno de ellos, no se afecta la estabilidad de los otros. Los espigones pueden ser utilizados como protección de la margen de un río cuando: • • • •
El cauce es ancho y la otra orilla puede ser erosionada sin producir daños. Físicamente es posible construir los espigones, ya que es necesario trabajar dentro del río. Otra solución es muy costosa. Para proteger una estructura en particular.
Los puntos más importantes a considerar en el diseño de espigones son:
Definición de términos
La longitud total de un espigón es la suma de la denominada longitud de anclaje ( Tramo dentro de la orilla ) y la longitud de trabajo ( dentro del cauce activo ). A A a = longitud de anclaje a b b = longitud de trabajo
La parte superior de los espigones recibe el nombre de “corona” y generalmente tiene un leve pendiente hacia la punta, tal como se indica en el corte A-A Corona
A-A Thalweg: Línea que sigue la máxima profundidad del canal
Para poder localizar en planta los espigones, se debe disponer de un plano topográfico de la planta del río a una escala cónsona con el trabajo a realizar. Lo primero que se requiere es trazar en dicho plano el nuevo eje del río, es decir, la nueva posición que se desea obtener una vez que éste sea rectificado o el eje existente si solo se van a proteger las orillas existentes. Una vez que esto ha sido realizado se conocerá el radio o radios de curvatura y la longitud de los tramos rectos. Los espigones se iniciarán en las márgenes y llegarán hasta el eje En ríos de planicie, que corren sobre material aluvional, la longitud de tramos rectos entre espigones “ar” debe estar comprendida entre 0 < ar < 3 B, donde “B” es el ancho de la superficie libre del cauce estable. Longitud de los espigones
Como se indicó anteriormente la longitud total de un espigón es la suma de la longitud de trabajo y la longitud de empotramiento. La longitud de trabajo es recomendable que sea mayor que el tirante de agua en el caso de la creciente de diseño y menor que 0,25 x B, siendo B el ancho del cauce estable. La longitud de empotramiento se recomienda que no sobrepase un cuarto de la longitud de trabajo, por tanto la máxima longitud del espigón será L = 1,25 x L trabajo Algunos autores, (Maza et al ) proponen que la longitud sea menor o igual a 0,15 B y para ríos muy amplios, una longitud mínima de 15 m.
Sp = LT cos
α
sen α + LT ---------tag β
sen ( α + β ) Sp = LT -----------------sen β
Con los valores anteriores se encuentra la relación: 4,0 LT
≤
Sp
≤
6,3 LT
Desde el punto de vista económico, conviene que la separación inicial sea de Sp = 6 LT Separación en curvas. Se recomienda mantener la relación
2,5 LT < Sp < 4 LT
Separación entre espigones cuando la margen es irregular: El procedimiento a seguir es el siguiente: • • • •
•
Trazar en la punta del espigón una tangente a la línea extrema de defensa. Con respecto a esa línea y hacia aguas abajo medir el ángulo β que se haya escogido. Con el ángulo β trazar una línea hasta interceptar la margen. Colocar en el punto de intersección el siguiente espigón con el ángulo de orientación que se establezca y prolongarlo hasta la línea de defensa. Desde ese punto trazar una tangente a la línea de defensa y medir nuevamente el ángulo β. Repetir el procedimiento. • Se recomienda construir un pequeño espigón aguas arriba del primero. 2° 1° L L
L
Cuando los espigones se colocan en la parte cóncava para propósitos de estabilización, un espaciamiento entre 4 y 6 veces la longitud de trabajo es suficiente para deflectar el ataque de la corriente principal. Pendiente de la superficie superior ( corona ).
La corona o parte superior de los espigones puede ser construida con pendiente horizontal o con una pendiente dirigida hacia el centro del río, la cual puede llegar hasta 0,25. Cuando el propósito del espigón es proteger una margen, se recomienda que la corona tenga una pendiente hacia el centro del río. La pendiente de la corona debe ser uniforme en todos los espigones. La pendiente debe ser proyectada de manera que la cota superior del extremo del espigón debe quedar por encima del nivel de estiaje y que sea viable su construcción. Socavación local al pié del espigón
La socavación mayor en un espigón se produce en el extremo que está dentro del río, ya que en ese punto la velocidad del agua es mayor que en el resto de la estructura. Maza propone la siguiente ecuación, la cual se basa en los criterios de Latuischenkov Q1 He = 0,85 Ho 4,17 + Ln -------Q Donde:
e
( 0,0028 α - 0,24 K )
Para construir este tipo de espigón, la corriente de agua si está en el sitio, debe ser desviada y la fundación se debe excavar hasta llegar a profundidades mayores que las de socavación del cauce. En principio es conveniente por razones económicas, construir los espigones con el material más accesible. En los ríos andinos, lo mas económico consiste en utilizar concreto ciclópeo ya que la arena y las piedras se encuentran en el sitio, tal como se muestra en la fotografías.
Fot. Nº 5.4.6.1 Espigón impermeable de concreto ciclópeo
detrás del espigón se produce una sedimentación de material y un crecimiento posterior de vegetación que ayuda a consolidar la orilla. Uno de los materiales mas utilizados para este tipo de espigón es el bloque Dolosse, sin embargo pueden construirse a manera de enrocados o con gaviones, todo dependiendo de las características del río y la disponibilidad de material.
Fot. Nº 5.4.6.2. Espigones semipermeables construidos con bloques Dolosse. Puede observarse la disminución de la velocidad aguas arriba de las estructuras. Antes de colocar este tipo de estructuras, es necesario tomar en cuenta la velocidad del agua durante las crecidas y la posibilidad de que los bloques o las rocas sean arrastradas por la corriente. La experiencia indica que los bloques dolosse se pueden colocar sueltos
protegerlas, que produce muy buenos resultados, consiste en hincar en el cauce en forma perpendicular al flujo, tubos o cualquier elemento a manera de columna y unir los elementos con una malla de acero, la cual permite el paso del agua pero retiene los elementos que lleve el río flotando ( Ver Esquema N° 5.4.7. ). Estos elementos van de manera progresiva y lenta, creando un dique que produce la disminución de la velocidad aguas arriba y por ende facilita la sedimentación de las partículas y por tanto la creación de un banco de material, que al cubrirse de vegetación, va a proteger las orillas. Se recomienda la colocación de los tubos en forma de “Trebolillo “ tal como se indica en el Esquema Nº 5.4.6.3. Esquema Nº 5.4.6.3.
Vista en planta
La vegetación, en la estabilidad de los taludes actúa de dos maneras: • Cambios en la humedad del suelo. • Mejoramiento de la estabilidad del suelo debido ala presencia de raíces 5.4.7.1.-Cambios en la humedad del suelo
La ecuación que refleja el flujo a través de un medio poroso
es:
dh K θ h = C ---dt 2
donde: h = altura piezométrica K = Coeficiente de permeabilidad C = pendiente de la curva de humedad-succión En la superficie del terreno, la infiltración (q) deberá ser incorporada en la ecuación: dh K θ h + q = C ---dt 2
La infiltración puede expresarse como: q = p – r -- i p =precipitación
5.4.7.2.- Mejoramiento de la estabilidad del suelo debido ala presencia de raices
La resistencia de un suelo que contiene raíces puede ser considerada como un caso especial de tierra reforzada. Considerando un modelo simple en el cual el refuerzo es igual en todas las direcciones (refuerzo isotrópico) se tiene: σr = Ar tr /A
Donde: Ar = Área de refuerzo Tr = esfuerzo de tensión A = Área de suelo El resultado es que el refuerzo es equivalente a una cohesión Cr
5.5.- Estructuras de conducción 5.5.1. Canalización del cauce.
Las obras de canalización, donde se altera el cauce o se desvía el río, utilizando el material del lecho para la construcción de bermas, deben ser realizadas solo como medidas provisionales de emergencia, ya sea para quitar el impacto del agua sobre una estructura o talud, bien sea para ejecutar obras dentro del cauce, pero de ninguna manera se recomienda la canalización como obra definitiva de conducción, ya que este trabajo, produce la desestabilización del régimen fluvial del río y por ende este volverá a rehacer su cauce estable y destruirá la canalización. Como regla general se recomienda NO canalizar el río ya que esto es trabajo perdido. En los ríos andinos de gran pendiente, se deben retirar del cauce las rocas de gran tamaño que después de un crecida queden en el centro del cauce, ya que posteriormente pueden actuar como deflector dañando los terraplenes laterales
Roca
5.5.2. Canales
En drenaje se utilizan canales rectangulares o trapezoidales
en algunos casos cuando el
Deberá hacerse un estudio de suelos y verificar el peso específico del material natural así como el ángulo de reposo y la capacidad portante del suelo. A falta de información y en forma muy general puede considerarse que el terreno tiene: Peso específico = 1,8 ton/m3 Angulo de fricción interno = 30º Capacidad del suelo = 1,00 Kg/cm2 Para el concreto se establece: Rcc 28 = 250 Kg/cm2 Acero = 4.200 Kg/cm2 b2
d
d1
h
b d b1
5.5.2.1.- Cálculo del acero para el canal
En general los canales de concreto llevan acero mínimo, repartido como se indica en el siguiente esquema:
5.5.2.2.- Junta de dilatación
La junta de dilatación se puede colocar en un canal cada 24 m, de acuerdo con el esquema que se presenta. Planta del canal 24 m
Manguera
Junta
1 @ 2 cms
Cabilla 3/8”
Junta
Detalle de la junta.
Dirección del agua
Son estructuras construidas en concreto armado a manera de escaleras, que permiten descender un caudal de agua en una distancia horizontal corta, sin producir erosión. Las torrenteras se utilizan como descargas de alcantarillas o cajones, cuando existe un desnivel apreciable entre la salida y el punto de descarga.
El tamaño de la huella (b) y la contrahuella (h) son función del nivel a salvar y del caudal de diseño. Baranda (continua o escalonada)
b h
Fot. Nº 5.5.3.2 Vista general de torrentera Disipación por caída en régimen subcrítico. yc h
y2
yp
y1 Lc
1,275
LT
LR
1/6 y2
Lc yc ------ = 4,30 -------h h
0,81
LR = 6,9 ( y2 – y1) Se recomienda que la huella tenga una longitud de 1,1 Lc Regimen supercrítico h/yc 1,00 1,50 2,00
N° de Froude = 2 Lc/yo LR/ yo 2,80 9,40 3,20 9,00 3,50 8,50
Y2 /y1 1.90 1,70 1,40
h/yc 1,00 1,50 2,00
N° de Froude = 3 Lc/yo LR/ yo 3,4 18,4 4,0 17,2 4,4 15,8
y2 /y1 3,40 3,00 2,60
5.6.- Estructuras de protección, drenaje y conducción no convencionales.
Son estructuras que no se utilizan en forma sistemática, por ejemplo caídas verticales, utilizando alcantarillas como bajantes, o construyéndolas en pantallas de concreto proyectado como parte de ellas. 5.6.1. Caídas. En algunas oportunidades, como en el caso de una pantalla anclada,
ubicada en un punto bajo de la vía y que drena un curso de agua, puede utilizarse la estructura indicada en la figura:
La tanquilla recoge el agua y la conduce a una alcantarilla convencional, la cual atraviesa la pantalla anclada y se conecta a una alcantarilla metálica colocada verticalmente la cual actúa como un bajante y que se ancla al muro mediante abrazaderas que pueden ser
Alcantarilla a punto de colapsar, sin ninguna estructura de protección a la salida
Puente peatonal sobre el río Chama en el sector Nube de Agua Vista durante una pequeña crecida
Puente en el sector La Mucuy. Mérida
Falla de terraplén de acceso en puente la Pedregosa
Puente San Pedro. T-001
